采用制冷剂闪蒸喷雾冷却的激光反射镜系统及方法

本发明属于制冷剂，具体涉及一种采用制冷剂闪蒸喷雾冷却的激光反射镜系统及方法。

背景技术：

1、随着激光技术的不断进步，人们对激光器的需求不断朝着更高功率，更大时常迈进。激光反射镜是大功率激光器中的常见组件，其在整个系统中承担了光路修正，光程匹配等重要功能，因此其稳定性对整个激光光束的质量有巨大影响。目前激光反射镜的材质多为光学玻璃，在光束反射的过程中其一般会承受数十kw/cm2的功率密度。这样高的能量不止导致镜片产生热畸变，使激光质量下降，更有甚者会导致镜片炸裂，严重威胁整个激光器的安全。控制镜片的热畸变主要可以从以下几个方面入手：(1)镜片表面镀膜，提高镜片的反射率和平整度，降低对激光能量的吸收；(2)设计镜片结构限制镜片的变形；(3)对镜片表面的温度分布进行控制。由于激光时间和能量的增加，镜片镀膜提高反射率即使已经能将吸收损耗降低到几个ppm，还是避免不了镜片的吸热温升，因此，目前控制镜片的散热与形变，是激光反射镜的两个重要研究方面。对激光反射镜的温度控制与形变控制方案或多或少存在以下几个弊端：

2、目前存在的专利大多只关注了控制温度或控制形变其中一个方面，缺少能够使这两个需求有机结合的产品。对镜片的主动冷却方式主要为风冷和水冷，水冷又主要分为射流式和流道式。其中，风冷的散热能力较为低下，射流式水冷的水流冲击会给镜片引入额外的形变，而流道式水冷又会增加装置整体的体积和复杂度，使成本大幅提升。

3、大部分对镜片的主动冷却为均匀冷却，这样虽然可以降低镜片表面的最大温度，但考虑到激光本身照射到镜片上的发热为高斯分布(中间高两边低)，镜片本身的温度均匀性会不太理想。

4、目前应用于激光反射腔镜冷却的设备存在冷却效率较低、温度控制精度较低、使用工况范围较小等弊端。

技术实现思路

1、针对目前技术的不足，本发明旨在提出一种采用制冷剂闪蒸喷雾冷却的激光反射镜系统及方法。本发明对激光反射镜温度的均匀性控制较好，支持更长时间的连续工作，可靠性较高。

2、为了解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现：

3、第一方面，本发明提供一种采用制冷剂闪蒸喷雾冷却的激光反射镜系统，其特征在于，包括壳体、制冷剂压缩循环系统、反射镜组件、冷却腔体，分流排及与之连接的喷嘴阵列；

4、所述反射镜组件设置在壳体内，壳体为冷却腔体；

5、所述制冷剂压缩循环系统与分流排及与之连接的喷嘴阵列连接，所述分流排及与之连接的喷嘴阵列与所述冷却腔体处，且与反射镜组件相对设置；

6、所述反射镜组件包括激光反射镜，所述激光反射镜中间部分开一环形槽形成镜片温度补偿面；环形槽内环形布置多根独立控制的加热丝，加热丝用于补偿来控制激光反射镜反射面的温度均匀性。

7、作为本发明进一步改进，还包括红外测温装置及与之相连接的计算机；所述制冷剂压缩循环系统设置有可控阀门开度的电磁阀，所述计算机与电磁阀连接。

8、作为本发明进一步改进，所述壳体上设置有制冷剂进口和制冷剂出口；制冷剂从制冷剂进口进入冷却腔体，制冷剂闪蒸气化后从腔体的出口流回压缩机管路内，形成完整的闭式制冷循环。

9、作为本发明进一步改进，所述分流排及与之连接的喷嘴阵列包括分液装置和小流量喷嘴，分液装置和多个小流量喷嘴连通。

10、作为本发明进一步改进，所述反射镜组件包括镜片固定底板、镜片固定螺栓、镜片上盖板及镜片冷却面；激光反射镜设置在镜片上盖板和镜片固定底板之间，镜片上盖板通过镜片固定螺栓设置在镜片固定底板上，镜片上盖板具有条形槽，条形槽与激光反射镜接触处为镜片冷却面。

11、作为本发明进一步改进，所述激光反射镜与镜片上盖板接触处设置有橡胶上垫圈，激光反射镜与镜片固定底板接触处设置有橡胶下垫圈。

12、作为本发明进一步改进，所述激光反射镜与冷却腔体通过密封为一个整体；激光反射镜正常工作时由腔体压力产生向外的形变和由装配产生向内的形变相互抵消。

13、作为本发明进一步改进，多根所述加热丝依次同心均匀布置。

14、作为本发明进一步改进，所述激光反射镜反射面外侧设置红外测温装置，红外测温装置采集激光反射镜表面的温度数据并与计算机相连接，通过pid控制调节制冷剂进口段电磁阀开度，从而控制喷嘴的制冷剂总流量，用于使激光反射镜表面最高温度始终维持在预设值附近。

15、第二方面，本发明提供一种采用制冷剂闪蒸喷雾冷却的激光反射镜系统的控制方法，包括如下步骤：

16、通过制冷剂闪蒸喷雾进行激光反射镜的主体冷却，通过镜片温度补偿面和调节激光反射镜装配扭矩来释放和平衡激光反射镜内部的应力，通过加热丝温度补偿来控制激光反射镜反射面的温度均匀性，最终控制激光反射镜反射面的变形。

17、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

18、本发明整套系统的制冷剂流量、激光反射镜温度、激光反射镜初始应力等关键参数均可人为调整，适用工作范围较广，对激光反射镜温度的均匀性控制较好，支持更长时间的连续工作，可靠性较高。

技术特征：

1.一种采用制冷剂闪蒸喷雾冷却的激光反射镜系统，其特征在于，包括壳体、制冷剂压缩循环系统、反射镜组件、冷却腔体，分流排及与之连接的喷嘴阵列；

2.根据权利要求1所述的一种采用制冷剂闪蒸喷雾冷却的激光反射镜系统，其特征在于，还包括红外测温装置及与之相连接的计算机；所述制冷剂压缩循环系统设置有可控阀门开度的电磁阀，所述计算机与电磁阀连接。

3.根据权利要求1所述的一种采用制冷剂闪蒸喷雾冷却的激光反射镜系统，其特征在于，所述壳体上设置有制冷剂进口(3)和制冷剂出口(4)；制冷剂从制冷剂进口(3)进入冷却腔体，制冷剂闪蒸气化后从腔体的出口流回压缩机管路内，形成完整的闭式制冷循环。

4.根据权利要求1所述的一种采用制冷剂闪蒸喷雾冷却的激光反射镜系统，其特征在于，所述分流排及与之连接的喷嘴阵列包括分液装置(9)和小流量喷嘴(10)，分液装置(9)和多个小流量喷嘴(10)连通。

5.根据权利要求1所述的一种采用制冷剂闪蒸喷雾冷却的激光反射镜系统，其特征在于，所述反射镜组件包括镜片固定底板(8)、镜片固定螺栓(11)、镜片上盖板(12)及镜片冷却面(16)；激光反射镜(7)设置在镜片上盖板(12)和镜片固定底板(8)之间，镜片上盖板(12)通过镜片固定螺栓(11)设置在镜片固定底板(8)上，镜片上盖板(12)具有条形槽，条形槽与激光反射镜(7)接触处为镜片冷却面(16)。

6.根据权利要求1所述的一种采用制冷剂闪蒸喷雾冷却的激光反射镜系统，其特征在于，所述激光反射镜(7)与镜片上盖板(12)接触处设置有橡胶上垫圈(13)，激光反射镜(7)与镜片固定底板(8)接触处设置有橡胶下垫圈(14)。

7.根据权利要求1所述的一种采用制冷剂闪蒸喷雾冷却的激光反射镜系统，其特征在于，所述激光反射镜(7)与冷却腔体通过密封为一个整体；激光反射镜(7)正常工作时由腔体压力产生向外的形变和由装配产生向内的形变相互抵消。

8.根据权利要求1所述的一种采用制冷剂闪蒸喷雾冷却的激光反射镜系统，其特征在于，多根所述加热丝(17)依次同心均匀布置。

9.根据权利要求1所述的一种采用制冷剂闪蒸喷雾冷却的激光反射镜系统，其特征在于，所述激光反射镜(7)反射面外侧设置红外测温装置，红外测温装置采集激光反射镜(7)表面的温度数据并与计算机相连接，通过pid控制调节制冷剂进口段电磁阀开度，从而控制喷嘴的制冷剂总流量，用于使激光反射镜(7)表面最高温度始终维持在预设值附近。

10.一种采用制冷剂闪蒸喷雾冷却的激光反射镜系统的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

技术总结
本发明公开一种采用制冷剂闪蒸喷雾冷却的激光反射镜系统及方法，系统包括壳体、制冷剂压缩循环系统、反射镜组件、冷却腔体，分流排及与之连接的喷嘴阵列；所述反射镜组件设置在壳体内，壳体为冷却腔体；所述制冷剂压缩循环系统与分流排及与之连接的喷嘴阵列连接，所述分流排及与之连接的喷嘴阵列与所述冷却腔体处，且与反射镜组件相对设置；所述反射镜组件包括激光反射镜，所述激光反射镜中间部分开一环形槽形成镜片温度补偿面；环形槽内环形布置多根独立控制的加热丝，加热丝用于补偿来控制激光反射镜反射面的温度均匀性。本发明对激光反射镜温度的均匀性控制较好，支持更长时间的连续工作，可靠性较高。

技术研发人员：周致富,刘腾飞,朱栋清,薛书勤,陈书妍
受保护的技术使用者：西安交通大学
技术研发日：
技术公布日：2024/4/17